Aula 4 - Bombas Cetrífugas e Alternativas

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BOMBAS CENTRÍFUGAS E BOMBAS CENTRÍFUGAS E ALTERNATIVASALTERNATIVAS

Prof. Gerson Sales

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BOMBAS ALTERNATIVAS

ESTRUTURA DAS BOMBAS ALTERNATIVAS (POWER-END E FLUID-END)

FLUID - END

POWER - END

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BOMBAS ALTERNATIVAS

ESTRUTURA DAS BOMBAS ALTERNATIVAS (FLUID-END)

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BOMBAS ALTERNATIVAS

• O fluid-end de bombas triplex NATIONAL é de construção modular, ou seja, composto de três módulos de sucção e três de descarga. Estes são intercambiáveis entre si, podendo ser montados a direita, no centro ou esquerda da bomba. Desta forma, estes fluid-ends são identificados pelo International Association of Drilling Contractors (I.AD.C) como de perfil “L”.

CILINDROS


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Durante a desmontagem normal e a intervalos regulares, as tampas e anéis rosqueados e retentores de camisas devem ser visualmente inspecionados quanto a deformações ou danos nas roscas antes de serem reutilizados . Estes componentes devem ser ainda inspecionados visualmente quanto a danos ou desgaste em áreas que permaneçam em contato com vedações e/ou funcionem como guias. Em caso de danos ou desgastes, estes componentes devem ser substituídos. As roscas de componentes aceitáveis devem receber uma aplicação de composto antiemperramento e então apertadas de acordo com as especificações do fabricante. Além disso, as tampas e retentores rosqueados devem ser reapertados a intervalosregulares, durante as paradas da bomba, de acordo com as especificações. As pulsações, vibrações e pressão da bomba podem fazer com que algumas conexões mais grosseiras se afrouxem com o tempo.

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CILINDROS


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Módulo Erodido (Módulo Desgastado)

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CAMISAS


As camisas de pistão nunca devem ser golpeadas diretamente com martelos. Em caso da necessidade de uso de martelos para encaixar uma camisa, deve-se colocar um pedaço de madeira entre a mesma e o martelo para que parte do choque seja absorvido, eliminando assim a formação de deformações. A deformação do material da carcaça pode provocar fissuras na manga ou no chapeamento de cromo.

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As camisas cerâmicas constituem atualmente o tipo mais nobre de camisasdisponíveis. Em função da elevada dureza da superfície cerâmica, estas camisas se desgastam substancialmente menos que outros tipos, o que se traduz em um período operacional mais prolongado do pistão. Quando as condições corretas estão presentes, o custo operacional horário pode ser bem menor que o correspondente para outros tipos de camisas.

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CAMISAS CERÂMICAS


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CAMISAS CERÂMICAS


CAMISAS COM ROMPIMENTO DA SUPERFÍCIE CERÂMICA

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CAMISAS SUPREME COM MANGA DE FERRO CROMO ALTO


A Supreme é uma camisa mais nobre, com manga de ferro-cromo alto endurecido instalada em uma carcaça de liga metálica ou de aço carbono. Esta tem sido uma camisa de linha especial por vários anos.As camisas com mangas de ferro-cromo alto, embora resistentes ao desgaste, não possuem a mesma dureza que as camisas cerâmicas. Alguns sólidos de perfuração, tal como o quartzo, possuem dureza superior à do ferro-cromo alto.

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CAMISAS SUPREME COM MANGA DE FERRO CROMO ALTO


Camisa operada com haste curta Camisa operada com fluido ácido oucáustico.

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CAMISAS CROMADAS


Em algumas camisas de menor tamanho ou em algumas camisas de diâmetro interno próximo ao valor máximo para a bomba, oferecem-se camisas com paredes internas cromadas. Estas camisas oferecem alguma resistência à abrasão e resistência limitada à corrosão.O deslizamento irregular devido ao desalinhamento da bomba ou a uma falha prolongada do pistão pode descascar o chapeamento de cromo do substrato da base, lascando o material cromado. Uma vez iniciado, o lascamento irá progredir até a falha.O lascamento do cromo é bastante abrasivo e reduzirá a vida útil do pistão.

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PISTÕES


Pistões são oferecidos em diversos estilos e composições. Normalmente, um pistão de um certo tipo é projetado para um propósito específico. Se não empregado para a finalidade a que é designado, o pistão pode não ser adequado ou econômico para uso.As descrições resumidas apresentadas a seguir delineiam alguns dos critérios e limitações de projeto para pistões padrão.

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PISTÕES URETANO


Pistões fabricados em uretano podem apresentar falhas associadas a uma dentrequarto diferentes condições, cada uma delas identificáveis de modo razoavelmente fácil. Estas quatro condições são: calor, extrusão, abrasão e ataque químico. As falhas também podem ocorrer em função de múltiplas condições.

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CALOR: as falhas em pistões de uretano devidas ao calor provocam a perda dematerial fazendo com que a superfície do pistão se torne similar a uma vela derretida.Esta condição pode resultar da alta temperatura do fluido, do fornecimento inadequado de retrolavagem ou do calor friccional devido a outras forças. Conforme a temperatura aumenta, as propriedades mecânicas do uretano diminuem. Pistões de uretano padrão (sem compostos para altas temperaturas) resistem a uma temperatura máxima de 180° F (82° C). Esta temperatura máxima corresponde à soma da temperatura do fluido que está sendo bombeado e do calor friccional gerado pelo movimento alternativo do pistão.

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PISTÕES URETANO


Pistão White Lightning

Pistão Green Duo

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PISTÕES URETANO


EXTRUSÃO: Pistões de uretano com falhas devidas a extrusões parecemdespedaçados e apresentam uma aparência bastante áspera. Nestes pistões também se observa a perda de material a partir da flange do pistão e em direção ascendente.As bordas da superfície de uretano estarão afiadas e ásperas ao toque. Falhasprematuras em pistões devidas à extrusão normalmente indicam que a folga entre aparede interna da camisa e a flange do pistão era muito grande para a pressão deoperação.

Pistão Green Duo

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PISTÕES URETANO


ABRASÃO: Pistões de uretano com falhas devidas à abrasão apresentam perda de material e uma superfície áspera, porém não despedaçada. Estrias longitudinais serão normalmente observadas nestes pistões após algum tempo de operação, nos pontos onde sólidos tenham sido capturados entre o composto de uretano e a camisa.

Pistão White Lightning Pistão Green Duo

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PISTÕES URETANO


ATAQUE QUÍMICO: As falhas em pistões de uretano devidas a ataques químicos nãosão facilmente identificáveis visualmente. O composto de uretano irá abrandar-se e, algumas vezes, dilatar-se. Este tipo de falha estará normalmente associado a um forteodor de produtos químicos como solventes ou compostos de hidrocarbonetos, sentidos quando o pistão é examinado pela primeira vez fora da bomba. Os compostos de ataque podem se dissipar rapidamente após a remoção do pistão, com a perda do odor de produtos químicos acontecendo logo em seguida. Algumas poucas bases de lamas ou aditivos para lamas possuem compostos químicos que, quando adicionados à lama pela primeira vez, tendem a degradar os elastômeros. A maioria destas bases e aditivos é pouco volátil ao longo do tempo e, conforme o fluido circula, elas tendem a se diluir até não mais degradarem os elastômeros. Assim, caso novas bases ou aditivos que não tenham sido utilizados antes sejam adicionados, se uma falha acontecer antes do que normalmente esperada, ela pode não ser em razão doselastômeros.

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PISTÕES BORRACHA PRETA


Pistões de borracha preta normalmente falham em decorrência de uma ou mais dentre as seguintes condições: calor, extrusão, abrasão, ataque por produtos químicos, erosão do diâmetro interno/externo ou ainda pelo uso de pistões demasiadamente desgastados para a pressão operacional a que se destinam. As falhas em pistões de borracha preta não são tão facilmente identificáveis como no caso dos pistões de uretano.

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PISTÕES BORRACHA PRETA

Extrusão

CalorAbrasãoCorpo Desgastado

Corpo Esgotado de Pistão

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O Flex Lip é um pistão de estilo unificado com uma face de nitrilo. Este pistão é resistente a óleos e compatível com a maioria dos fluidos de perfuração atualmente em uso. O pistão Flex Lip pode operar a temperaturas de até 210º F (99º C) e pressões de até 4500 psi, sendo fabricado para emprego com bombas triplex de efeito simples e duplo. Este pistão é também recomendado para sistemas com lamas à base de água com densidades de 11 lb/gal ou superiores. O Flex Lip pode ainda ser empregado para serviços com água doce ou salgada com certo sucesso. Para este pistão, o requerimento de contra-lavagem é de 10 gal/min por pistão, ou superior. O Flex Lip não é recomendado para sistemas com altas concentrações de sólidos.

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PISTÕES FLEX LIP

Camisa Desgastada

Calor

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VÁLVULAS E SEDES

Válvulas e sedes são fornecidas em diversos estilos, sendo projetadas para muitas aplicações diferentes. As chamadas válvulas de perfuração podem ser empregadas em perfurações, mineração, transferência de fluidos e aplicações com lamas. Estas válvulas são ainda oferecidas em diversas configurações, tais como corpo aberto unificado, montagem do tipo guilhotina e estilo cruzeta com corpos para altas, médias e baixas pressões. Cada válvula de perfuração é projetada para uma determinada aplicação, embora, por vezes, uma válvula possa ser empregada com grande sucesso em outras aplicações. As denominadas válvulas para serviço em poços também podem ser empregadas na mineração ou em transferências de fluidos.

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VÁLVULAS E SEDES

Sólidos de Tamanho Grande e Abrasão

Extrusão Corrosão em Sede de Válvula Roughneck

Corrosão em Sede de Válvula Roughneck

Envelhecimento

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CÁLCULOS IMPORTANTES EM BOMBAS DE LAMA

EFICIÊNCIA VOLUMÉTRICA

Quando estamos calculando a eficiência volumétrica da bomba, na realidade estamos comparando dois volumes:

• O volume que a bomba esta realmente injetando no poço (vazão real).

• O volume que a bomba teoricamente deveria injetar no poço (vazão teórica).

A eficiência volumétrica é o principal meio de verificar as condições da bomba delama, ela nos dá matematicamente as condições de performance da bomba de lama, bem como, auxilia a identificação de problemas na coluna de perfuração ou no poço, como também, dá uma condição mais precisa para a injeção e deslocamento de volumes para dentro do poço

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QT = 0,0102 x D2 x L x N

Para calcularmos a vazão teórica em bombas triplex simples ação, aplicamos:

QT = Vazão teórica em galões por minuto.D = diâmetro da camisa.L = Curso do pistão.N = velocidade da bomba em ciclos por minuto.

EFICIÊNCIA VOLUMÉTRICA

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Exercício

• Qual a vazão em m³/min e gal/min (gpm) da bomba alternativa ao lado, sabendo-se que ela consegue bombear 80 stk/min?

• Dados: - Ø da camisa 7 ½”

- curso do pistão 20”

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Solução:

1” = 25,4mm stk = strokes(batidas)

Ø 7 ½” = 190,5mm 1stk = VC (volume deslocado

por uma batida)

h = 20” = 508mmAB = π x D² / 4 AB = 3,14 x 190² / 4 = 28487,8mm²VC = AB x h 1gal =

3,785L

VC = 28487,8 x 508 = 14471802mm³ 1L = 1dm³

VC = 0,014m³ 1stk =

0,014m³1gal 3,785L x 1120L3,785 x = 1120x = 1120 = 296gal 3,785

80stk = 80 x 0,014 = 1,12m³

1,12m³ = 1120dm³ = 1120L1120L = 296gal

Logo: 80stk/min = 1,12m³/min = 296gal/min

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Exercício:

Um tanque, de lama, de base retangular, mede 4 m x 2,5 m. Ele está com um nível de 12 pés, ao iniciar a perfuração esse nível caiu para 11 pés. Sabendo que este desnível aconteceu em dois minutos, determine a vazão real desta bomba de lama em l/min.

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CAUSAS DA BAIXA EFICIÊNCIA VOLUMÉTRICA

CAUSAS CORREÇÕES

Linha de sucção sub-dimensionada Redimensionar as linhas de sucção

Obstrução parcial da linha e/ou filtro Desobstruir o filtro de sucção e/ou linha

Entrada de ar pelas juntas e/ou furos na linha de sucção

Trocar as juntas e eliminar os furos

Presença de muito gás no fluido bombeado Desarear o fluido bombeado.

Fluido bombeado vaporizando na linha de sucçãoReduzir temperatura do fluido e/ou aumentar o head de sucção

Válvulas na sucção parcialmente abertas Abrir completamente as válvulas

Válvulas de by-pass para a sucção semi-abertas Fechar completamente as válvulas

Válvula de alivio de segurança dando passagem Trocar a válvula de segurança

Válvulas de sucção muito desgastadas Trocar as válvulas danificadas

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CAUSAS DA BAIXA EFICIÊNCIA VOLUMÉTRICA

CAUSAS CORREÇÕES

Vazamento excessivo peias juntas dos tampões Reapertar e/ou trocar as juntas

Vazamento excessivo pelas juntas das camisas Trocar ajunta das camisas

Vazamento excessivo pelas gaxetas do stuffing box

Reapertar e/ ou trocar os engaxetamentos

Falta de escorvamento da bomba Fazer a escorva da bomba

Insertos dos pistões desgastados e/ou avariados Trocar os insertos

Haste do pistão desenroscada da cruzeta Enroscar e travar a contra-porca da haste

Pistão solto ou folgado na haste Reapertar e/ou trocar o pistão e haste.

Camisa do cilindro com desgaste excessivo Trocar as camisas dos cilindros

Pistões e camisas menores que o necessário Instalar pistões e camisas na dimensão correta

Correias deslizando na polia do acionador Ajustar a tensão das correias ou redimensioná-las

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PRESSÃO MÁXIMA DE DETERMINADO DIÂMETRO DE CAMISA

A parte mecânica de uma bomba de lama é dimensionada para um esforço máximo na haste intermediária. A esse esforço vai corresponder diferentes pressões de bombeio para diferentes diâmetros internos das camisas e pistões. Assim, quanto menor o diâmetro interno das camisas, maior o limite máximo de pressão de bombeio.

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1714 x HPP = --------------------------

Q

ONDE: P = pressão máxima em psi. 1714 = constante. HP = potência mecânica máxima. Q = vazão teórica da bomba.

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Exemplo: Calcular a pressão máxima a uma determinada bomba ser operada sabendo-se que:

Fabricante e modelo: National 10P-130 Diâmetro da camisa = 6.1/4” Curso = 10"Velocidade da bomba: 140 stroke / min. Potencia = 1300 HP



Assim temos: P = 1714 x 1300 x 90% = 3594 psi 558

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FORÇA DE IMPACTO DO PISTÃO

As pressões máximas nas bombas é baseada no esforço exercido pêlos pistões no momento de seu deslocamento positivo (no qual resulta a potência mecânica máxima).

P x π x D²

F = ----------------------

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POTENCIA HIDRAÚLICA DAS BOMBAS ALTERNATIVAS

A potência hidráulica transferida ao fluido pela bomba, desprezando a pressão na sucção é dada, em HP, pôr:

Ps x Q

PH = ------------

1714

Onde: PH = Potência Hidráulica (HP); Ps = Pressão de bombeio (psi); Q = vazão real em (gpm)

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MAXIMIZANDO A POTÊNCIA

Para uma dada potência de bombeio disponível, a potência na broca será máxima quando a vazão for mínima, pois assim a potência perdida no restante do sistema - a potência parasita - será minimizada, maximizando, consequentemente, a potência disponível para a utilização da broca.

A primeira coisa a ser feita para otimizar a potência hidráulica é escolher as camisas das bombas de menor diâmetro possível para podermos trabalhar com a maior pressão de circulação possível, observando as seguintes restrições:-Necessidade de uma vazão mínima para carregamento dos cascalhos.-Limite máximo de pressão de circulação.

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480 x ( Dp² - Dt² )

Q min = -------------------------------

( W x Dp )


MAXIMIZANDO A POTÊNCIA

Portanto, deverão ser escolhida as camisas de menor diâmetro possível, que atendam a vazão necessária para carregamento dos cascalhos no anular, com alguma folga.

Onde: Qmin = vazão mínima em galões pôr minuto. Dp = diâmetro do poço em pol. Dt = diâmetro da tubulação em pol W = peso do fluido em Ib/gal.

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BOMBAS ALTERNATIVAS


VELOCIDADE DAS BOMBAS

A variação da velocidade de uma bomba de lama depende, principalmente, do tipo de acionamento utilizado. Naquelas acionadas por motores díesel e transmissão mecânica direta, a faixa de variação da velocidade é muito estreita devido à característica operacional própria dos motores diesel.

Nas sondas elétricas, as bombas só estarão limitadas pelas velocidades mínima e máxima recomendadas pelo fabricante, pois elas são acionadas por motores elétricos de corrente continua, e estes podem operar dentro de uma ampla faixa de velocidade, começando do zero.

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Sistema Internacional de UnidadesSistema Internacional de Unidades

O Sistema Internacional de Unidades, resumidamente denominado de SI em todas as línguas é aceito universalmente. Entretanto aceito universalmente. Entretanto no no sistema inglês (imperial), até hoje as até hoje as unidades libra, pé, polegada etc. sãounidades libra, pé, polegada etc. são ainda muito utilizadas na Inglaterra, EUA e também no Brasil devido ao grande número de empresas procedentes desses países. Esse sistema está sendo substituído pelo sistema métrico. Mas ainda permanece a necessidade de se converter o sistema inglês em sistema métrico e vice-versa.

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Unidade de Comprimento

No Sistema Inglês de Unidades temos:

polegada - indicado em in ou ” 1 in = 25,4 mmpé - indicado em ft ou ’ ou pé 1 m = 3,281 ft 1 pé = 12” 1 jarda = 3’

Outros: 1 jarda = 0,914 m 1 milha terrestre = 1609 m 1 milha náutica = 1852 m

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Unidade de Massa

No Sistema Inglês de Unidade temos:Libra - indicado por lb 1kg = 2,2 lbOnça - indicado por oz 1oz = 0,0283kg

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Unidades de volume

No SI a unidade de volume é o m3 Múltiplos e Submúltiplos - Km3 , dm³ ,

cm³ .. 1dm³ = 1LNo Sistema inglês: in3 , pé3 1galão(gal) = 3,785 L1in³ = 0,004329 gal1m3 = 1000L1barril(bbl) = 159L1m³ = 6,3 bbl1bbl = 42gal = 5,6pé³

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Unidades de força

No SI a força é medida em Newton O Newton é simbolizado por N Ex.: 100N , 200N1kgf = 10N

No Sistema inglês de unidades usa-se o Libra-força, simbolizado por lbf

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Pressão

A unidade de pressão no SI é o pascal (Pa) e corresponde à força de 1 Newton agindo numa área de 1 metro quadrado.

Isto é: 1 Pa = 1 N/m²

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Unidades de Pressão

A unidade de pressão no SI é o N/m2

Usa-se também o Pascal sendo 1000N = 1kPa 1000Pa = 1kPa 1 bar = 10 N/m²= 10 Pa

No sistema inglês usa-se o PSI (pound per square inch = lb/pol²).

1kg/cm² = 14,22 lb/pol² ou 14,22 PSI 100kPa=14,5 psi

Outros: 1atm = 100 kPa =14,5 PSI

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Unidades de Vazão

No SI a unidade é m3/sOutros: gal/min(gpm), bbl/min, stk/min

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TABELA 13 - CONVERSÃO DE UNIDADES DE MEDIDA

GRANDEZA

PARA CONVERTER

SÍMBOLO

MULTIPLICAR POR→

SÍMBOLO

PARA OBTER

PARA OBTERDIVIDIR POR

←PARA CONVERTER

COMPRIMENTOMetrosPolegadasPé

m” ou (in)

Pé

3,28125,412

ftmm

” ou (in)

PésMilímetrosPolegadas

ÁREAQuilômetros quadradoshectares

Km²ha

10010.000

ham²

HectaresMetros Quadrados

VAZÃO Metros Cúbicos p/hora m³/h 4,4 gal/min Galões por Minuto

VOLUMEMetros CúbicosMetros Cúbicoslitro

m³m³gal

100035,313,785

Lpe³L

LitrosPés CúbicosLitros

PRESSÃOQuilogramas porcentímetro quadradobar

Kg/cm²bar

14,2214,5

lb/pol²(PSI)lb/pol²(PSI)

Libra por polegadaQuadrada

PESOLibrasQuilogramas

lbKg

0,45362,2

KgLb

QuilogramasLibras

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Cite três elementos do terminal de fluido de uma bomba de lama.Cite dois fatores que podem levar as válvulas de sucção ficar parcialmente abertas e ocasionar baixa eficiência volumétrica.A haste do pistão desenroscada da cruzeta ocasiona baixa eficiência volumétrica? Justifique sua resposta.Quais ações devem ser tomadas antes do início de qualquer trabalho no terminal de fluido de uma bomba de lama?Qual a função da sub-haste curta?As faces das braçadeiras podem fazer contato metal a metal? Justifique sua resposta.Cite duas verificações que devem ser feitas na haste do pistão. Quais os dois principais fatores que definem a duração efetiva de uma camisa de bomba? Qual o sistema de refrigeração do conjunto camisa x pistão que oferece melhor resultado? Justifique sua resposta.A válvula de alívio da descarga da bomba pode ser montada antes do filtro do cubo da descarga? Justifique sua resposta.Cite duas causas das falhas na gaxeta do pistão.

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FIMFIM

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